工频变压器的工作原理及设计Word文档下载推荐.docx
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磁路的基尔霍夫第一定律
)磁路的基尔霍夫第二定律
罚=£
=2Ni
图i安培环路定律
(4))磁路的欧姆定律
B|
l
Um=Hl=1=(j=R4A卩
4、铁磁物质的磁化曲线一
原始
H
(2)
磁化曲线:
将一块尚未磁化的铁磁物质进行磁化,在磁场强度由0开始逐渐增加时,磁感应强度也逐渐增加,这种曲线称为原始磁化曲线。
/图5原始磁化曲线
磁滞回线:
;
当
-Hm到+Hm之间反复磁化若干次最后得到对原点对称的封闭曲线。
从磁化过程可以看出,B的变化总是落后于H的变化,所以这种现
象称为磁滞。
图6
IMHI
/f
f
1
jT
/
P
磁滞回线
JT
(3))基本磁化曲线:
选择不同的Hm进行
反复磁化,得到一系列大小不同的磁滞回线,将各磁滞回线的顶点连接起来得到基本磁化曲线。
工程上采用的都是基本磁化曲线。
图7基本磁化曲线
(4))=爭①=
磁能
Wm
磁能密度
cmdV
cm单位体积磁场的能量
①1B1
F①一
=厂d—=严B——图中灰色部分面积
0A
c=V
从上面的图可以看出,若H增加,进入饱和,灰色面积不会增加很多,但电流会增加很多。
5、磁滞损耗与涡流损耗铁耗
(1))
单位体积内的磁滞损耗正比与磁场交变的频率
线的面积
(2))涡流损耗:
当通过铁芯的磁通交变时,会在铁芯
中感应电势和电流,进而产生损耗,与f也有关
1、变压器的工作原理及分类
1.工作原理:
基础是电磁感应现象
变压器的工作原理如下图所示。
在绕组
便有电流i1流入,在铁芯中产生交变磁通
链,由于磁通交变的作用,就会在绕组
磁滞损耗:
f和磁滞回
1上施加一交流电压U1,©
交变磁通与绕组2相匝2中感应电流。
根据电磁感应
定律,感应电势正比于绕组匝数,所以改变匝数就可改变绕组的感应电势,达到变压的目的。
若二次侧形成回路,就有电流流过,就会对外输
厶匕亘
出能量。
图9变压器的工作原理图
从能量的观点来讲:
电能经过绕组1转化为铁芯的交变磁能,
这交变磁能又可经过绕组在转换为电能,完成能量的转换和传送。
2.分类
(1)按用途分:
a、电力变压器(工频变压器):
用于电力系统;
b、高频变压器:
用于电子变换电路(高频开关电路);
c、互感器:
用于仪表测量和监控线路中;
d、专用变压器。
(2)按相数分:
单相、三相、六相变压器等
(3)按绕组分:
双绕组、三绕组等
3.变压器组成:
(1)铁芯
它的磁化曲线即磁性能很大程度上决定了变压器的容量和性能。
对于电力变压器,一般选用高磁导率、低损耗的冷扎硅钢片叠压而成。
(2)绕组
绕组套装在铁心上的情况如下图所示。
为了绝缘方便,低压绕组紧靠铁芯,高压绕组套在外面。
图11绕组套装在铁芯柱上的情况
此外,为了冷却,一般电力变压器都带有冷却装置,如油箱、油管等;
对于空冷变压器,无此设备。
虽然变压器的种类多,但各种变压器运行时的基本物理过程以及分析变压器的性能的基本方法大体上是一样的,因此下面将以单相和三相电力变压器为主要分析对象,探讨其应用和设计的一些问题。
三、变压器的工作
分析变压器的工作性能的方法主要是根据变压器运行时的物理过程、电势、磁势平衡方程式、等效电路及相量图。
在这里我们主要讲述物理过程,简单介绍其它,因为方程式、等效电路及相量图涉及到很多的数据计算。
1、空载运行忽略变压器的漏磁通和一次侧绕组的电阻,可以认为一次侧绕组的感应电势ei近似地与外加电压ui相平衡,即ei=-ui。
若外加电压是正弦变化的交流电,则在铁芯中磁通须按余弦变化,因此铁芯中主磁通为gCmcosst,则
可得
d田dt则一次侧绕组感应电势的最大值、
E=oJN①=2nN①,E
imimimi
ei
I图「i2I变压器空载运行-
d①
=-Ni=(jNiCmdt
有效值分别为
Eim2fNiCm
sin衣=EimsinSt
2fN①=4.44fN①
im
工作
这里Cm是在铁芯的基本磁化曲线上选择的工作点R定了铁芯的磁能点的选择很重要。
根据同样的推导方法,可以得到二次侧的感应电势的有效值为
2fN2Cm
=2fN2Cm
2m
E2=
2
可以得到
V
v
uiEi
〜=
Ni
=k
(变压器的变比)
U2E2
N2
=4.44fN2Cm
Cm不会太
这时一次侧只有激磁电流Io=|m,这个电流很小。
当在饱和情况,大,但相应的激磁电流会很大,会对变压器造成一定的损坏。
图14变压器负载运行
这样由于二次侧负载的变化,就可以使一次侧的输入发生变化,就达到了能量传送的目的。
在讲述工作原理时,我们忽略了很多参数,如绕组电阻,漏磁通(正比于线圈电流,若增大可引起主磁通增大,引起磁路饱和;
若忽略,则主磁通不会变化)等。
若把这些都考虑进去,可以得到比较完整的相量图(由于铁耗的影响,Im超前①m—个角度a),可以得到如下等效电路图。
从这图中可以很方便地得出变压器各电气参数间的关系,这些对变压器的性能分析及设计计算很有用,我们将在设计示例中大致讲一下。
图15变压器的相量图
从上面的a图可以看出,饱和很容易产生电流尖峰,产生很大的电流谐波;
从d①土卜|
b图可看出,饱和也可以使磁通畸变为平顶波,平顶越严重,e=-亠越小,
dt
相当于短路。
上面两种情况在星形(「)和三角形(△)两种接法回路中都可
能出现。
2、负载运行
如果二次侧接上负载,二次侧就有电流流过,这个电流会影响铁芯中的磁通。
为了补偿磁通的变化(楞次定律),一次侧的电流就会产生一个电流分量Ii产生磁势IiNi去平衡二次侧的电流产生的磁势I2N2(如果不考虑漏磁场,
磁通是不会饱和的),建立如下磁势平衡方程式:
o
€
4
J
L
吐—』—■…
图16变压器等效电路图(T形)
从等效电路可以看出,若分析性能或设计变压器就必须用到变压器的参数Rl、R2、Rm、X!
八X2『、Xm等。
这些参数可通过空载试验和负载试验得到。
3、变压器容量与其铁芯、导线和尺寸间的关系
若假设变压器铁芯工作在磁化曲线的线性阶段,并认为铁芯的尺寸规则
(横截面一样大),则可大致得到变压器容量与其铁芯和尺寸间的关系如下:
S=mUI^mEI=4.44fN0」=4.44f(BmA)(l.()=4.44f(A.l)(Bm.®
=4.44fkV.Bm.aV=kAl——变压器体积
Bm——磁负荷a——
电负荷(线电流密度)
若没有上述假设,上面式子全部变为积分形式,但得到的结论大致相同,即容量与铁芯体积,工作频率、电负荷和磁负荷成正比。
这些关系在设计时很重要。
由于一次侧和二次侧产生的磁势互相抵消,所以电流I实际上是由导线
的性能限制的;
电压U是由磁芯的性能限制的。
四、三相变压器的工作原理
现在电力系统都是三相制,因此三相变压器的应用极为广泛。
在实际运行时,三相变压器的电流和电压基本上是对称的,其中的任何一相都可以以单相变压器来研究。
因此下面只探讨三相变压器的一些特点。
图17三相变压器组
(2))三相芯式变压器:
三个铁芯,三个绕组。
虽然磁路有点不对称(中间一相的磁路较短),但不影响性能。
适用于中、小容量的电力变压器。
1•三相变压器的类型:
(1))三相变压器组:
三台单相变压器组合而成。
这三台绕组间只有电的联系,而无磁的联系■。
适用于大容量的巨型变压器
11
R
卜
图18三相芯式变压器
O
五、变压器的运行性能
可以利用前面提到的变压器的电气参数间的关系式、相量图和等效电路
图分析变压器的运行性能。
这些运行性能包括:
1、电压调整率(负载外特性)
由于绕组电阻和漏电抗的影响,当变压器从空载到满在变化,二次侧电压会发生变化。
其定义如下:
△U=U2N-U2刘00%
U2N
这数值还与负载的功率因数有关。
2、损耗和效率
变压器的损耗包括绕组铜耗和铁芯铁耗(包括磁滞和涡流损耗)。
这些
损耗与绕组的参数(电阻率、截面积等)、铁芯参数(磁化曲线)、电气参数
(电压、电流、频率)以及结构参数有关。
这些参数决定了变压器的效率,进而决定了变压器的发热和温升。
当铜耗二铁耗,可变损耗二不变损耗时效率最
高。
这些性能是变压器设计的指标,非常重要。
3、变压器的并联运行
(1))并联运行的优点:
增大电能供应的容量,提高其经济性;
提高电能供应
的可靠性;
Al
FL⑴
一P23变压器的并矿
⑵)理想并联的条件:
1
各变压器的变比相同;
各变压器具有相同的联结组标号;
――以上两个条件可以使变压器空载时无环流产生。
T
各变压器的短路阻抗须与它们的容量成反比;
――这条件可保证各变压器所分担的负载电流正比于它们的额定容量(即容量大的变压器流过的电流大)。
◎'
各变压器间的短路电阻和短路电抗的比值须相等。
图24联结组相差30。
时
――这个条件可保证各台变压器所承担的电流同相位。
4、变压器的空载合闸
稳态运行时,变压器的空载电流是不大的。
但是突然合闸时,由于饱和
和剩磁的影响,可能会产生很大的冲击电流(几十~百余倍的I0,相当于6~8
倍的IN--这与磁化曲线有关)。
这些可通过下面的一个状态方程来解释。
当空载合闸时有
u1=Umcos(ol+》=i1R1+Nidt
若忽略R,积分求得
①=①msin(oi+a+c
c为常数,与初始条件有关。
假如铁芯无剩磁,t=0,①二0,求出
c=-①msina
贝廿①二計sin(oi+a-®
sina
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